【正文】 月 日教研室主任意見：教研室主任簽字： 年 月 日北華航天工業(yè)學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性及知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件設(shè)計(jì)方案二是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作取得的成果。本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成果歸北華航天工業(yè)學(xué)院所有。本文在深入分析 ControlNet 總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解析了 ControlNet 在各總線中的優(yōu)勢，同時(shí)闡述了其在環(huán)道控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，并且以 Rockwell 出品的 RSLogix5000為基礎(chǔ)，編寫了自由組態(tài)的獨(dú)立控制部分軟件。與此同時(shí)，因?yàn)槟茉刺貏e是石油而引發(fā)的沖突接連不斷。建設(shè)大口徑、多功能、自動(dòng)化水平高的石油試驗(yàn)環(huán)道，可以得到不同環(huán)境下石油儲(chǔ)運(yùn)的各種數(shù)據(jù)，為各儲(chǔ)運(yùn)站提供可靠、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使石油儲(chǔ)運(yùn)最大化、科學(xué)化，減少儲(chǔ)運(yùn)過程中的維護(hù)工作。為了更好的滿足試驗(yàn)需求，工藝流程控制過程能夠?qū)崿F(xiàn)停輸再啟動(dòng)試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，盡可能增加流程切換的靈活性，可在多種工況下進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，于是產(chǎn)生了本部分的各控制閥等的獨(dú)立控制。作為近年來在國際上迅速發(fā)展起來的、備受關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)控制新技術(shù)，現(xiàn)場總線是一種應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的?？刂凭W(wǎng)絡(luò)一般指以控制對(duì)象為特征的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，簡稱為計(jì)算機(jī)亞網(wǎng)絡(luò) Infra（Infrastructure Network） ，它主要面向某個(gè)企業(yè)或某個(gè)系統(tǒng)的底層，與一般的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)既有很多共同點(diǎn)，又有不同和獨(dú)特之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1．控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時(shí)性是對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的基本要求；2．控制網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)在惡劣環(huán)境下數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃裕?．對(duì)信道容量要求不是太高；4．通信方式多采用廣播或組播方式；5．控制網(wǎng)絡(luò)必須解決多家公司產(chǎn)品和系統(tǒng)在同一網(wǎng)絡(luò)中兼容――即互操作問題。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文3 課題的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下內(nèi)容：1．以現(xiàn)場設(shè)備為核心，建立下位 PLC 控制系統(tǒng)，編制各控制閥門獨(dú)立控制程序，為操作管理人員提供靈活、準(zhǔn)確的控制信息。根據(jù)電工委員會(huì)（ICE）和美國儀表協(xié)會(huì)（ISA）定義，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，支持雙向、多分支、總線式、全數(shù)字通信?，F(xiàn)場總線其有診斷數(shù)據(jù)、操作統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)故障通知，使人更有效地分析、診斷系統(tǒng)；5．具有可靠的診斷和預(yù)估，從而減少了維護(hù)費(fèi)用；6．系統(tǒng)擴(kuò)充和修改容易，不必或很少增加新的硬件；7．故障定位準(zhǔn)確，安全性進(jìn)一步提高。但發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文5成開放互聯(lián)系統(tǒng)，是大勢所趨。本系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要采用了ControlNet 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。作為 PLC 與 I/O 設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，它綜合了遠(yuǎn)程 I/O 和 DH+鏈路的功能。通訊模塊組態(tài)完成之后必須運(yùn)行 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件RsNetWorx。傳統(tǒng)的工廠級(jí)控制體系結(jié)構(gòu)有五層即工廠層、車間層、單元層、工作站層、設(shè)備層組成。生產(chǎn)者/客戶模式使用時(shí)間片算法保證各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步，從而提高了帶寬利用率；同時(shí)，ControlNet 使用同軸電纜可達(dá)6000m 長，節(jié)點(diǎn)數(shù) 99 個(gè)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離最長達(dá) 1000m。源/ 目的地網(wǎng)絡(luò)模型采用應(yīng)/答式通訊，如果網(wǎng)絡(luò)要向多個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)，則需要對(duì)這些設(shè)備分別進(jìn)行 “呼” “應(yīng)”通信，即使是同一個(gè)數(shù)據(jù)，也需要制造多個(gè)數(shù)據(jù)包，消耗過多的帶寬，并且數(shù)據(jù)到達(dá)每個(gè)設(shè)備的時(shí)間還是不同的，這樣，不僅增大了網(wǎng)絡(luò)的通信量，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度受到限制，容易發(fā)生信息瓶頸問題，而且當(dāng)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間有苛求的實(shí)時(shí)控制信息要求傳送時(shí)，還需要采用其它不同的網(wǎng)絡(luò)。許多需用此數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過在網(wǎng)上同時(shí)識(shí)別這個(gè)標(biāo)識(shí)行，可同時(shí)從同一生產(chǎn)者取用此同一數(shù)據(jù)消費(fèi)?？梢哉f，基于此模式的 ControlNet 是當(dāng)今世界市場上各種工業(yè)控制底層現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中性能較為可靠的網(wǎng)絡(luò)。眾所周知，以太網(wǎng)采用“沖突檢測載波偵聽多路訪問” （CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）仲裁機(jī)制，這一般不具有工業(yè)控制所要求的可靠性、確定性。相反，每個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)視收到的每個(gè)數(shù)據(jù)幀的源節(jié)點(diǎn)地址，在該數(shù)據(jù)幀結(jié)束之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)隱性令牌寄存器（Implicit Token Register） ，其值為收到的源 MAC 地址加 1。ControlNet 中傳遞隱性令牌的邏輯是通過特別設(shè)計(jì)的時(shí)間分片存取算法――并存時(shí)間域多路存?。–oncurrent Time Domain Multiple Access CTDMA）來控制的。ControlNet的技術(shù)規(guī)范規(guī)定可組態(tài)的 NUT 時(shí)間為 ～100ms （目前市場上可提供的有關(guān)產(chǎn)品的最小可組態(tài)的 NUT 為 2ms） ?？刂凭W(wǎng)保證至少有一個(gè)非預(yù)定節(jié)點(diǎn)有機(jī)會(huì)傳送數(shù)據(jù)，提供給非預(yù)定節(jié)點(diǎn)的時(shí)間取決于預(yù)定節(jié)點(diǎn)的通信量。 ControlNet 現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，不僅要求現(xiàn)場設(shè)備完成本地的控制、監(jiān)視、診斷等任務(wù)，還要能通過網(wǎng)絡(luò)與其他控制設(shè)備及 PLC 進(jìn)行對(duì)等通信。因此，ControlNet非常適用于一些控制關(guān)系關(guān)聯(lián)復(fù)雜，要求控制信息同步、協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)傳輸速度較高的應(yīng)用場合。在羅克韋爾推出的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方案——“NetLinx”體系中，ControlNet 處于核心地位，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。它全面支持 ActiveX 技術(shù)，同時(shí)支持 OPC 的服務(wù)器和客戶端模式，既可以通過 OPC 和硬件通訊，又可以向其它軟件提供 OPC 的服務(wù)。因?yàn)樗母咚俾?，使其可以支持高度分布式的自?dòng)化系統(tǒng)，特別是那些具有高速數(shù)字量 I/O 和大量模擬量I/O 的系統(tǒng)。系統(tǒng)中所要控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含：電動(dòng)球閥 16 個(gè)、電動(dòng)閘閥 7 個(gè)、變頻器 1臺(tái)、攪拌器 1 臺(tái)。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程儀表（設(shè)備） 、傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集、處理與控制，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)功能和系統(tǒng)熱備功能。ControlLogix 控制器能夠通過 ControlLogix I/O 框架的任一槽內(nèi)，而且多個(gè)控制器可安裝在同一框架內(nèi)，它們之間通過背板進(jìn)行通訊，而運(yùn)行是相互獨(dú)立的。1757SRM 冗余模塊是提供主框架和副框架之間的高速數(shù)據(jù)傳輸?？墒褂梅侨哂啵?756PA72，PB72，PA75，PB75 ）和冗余（1756PA75R，PB75R）電源模塊，本方案中電源模塊采用 ROCKWELL 的 1756PA75（額定輸入電壓 120V ac 或 220V ac，最大有功輸入功率 95W，最大視在輸入功率 240VA，最大變壓器負(fù)載 238VA，頻率 4763Hz，最大背板輸出電流 dc、 dc、10A5V dc、24Vdc，共 75W） ，共四塊，分別外掛在四個(gè)框架上。每個(gè)模塊上有 A、B 兩個(gè) ControlNet 接口，互為冗余，使用時(shí)將四個(gè) A 口用專用通信支線電纜和通信電纜連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，四個(gè) B 口連成另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互為冗余。 開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸入模塊采用 ROCKWELL 的 1756IB16 模塊（輸入點(diǎn)數(shù) 16，電壓類型12/24V 直流，工作電壓 10～，輸入延遲 2ms，最小導(dǎo)通輸入電流 ，最大導(dǎo)通狀態(tài)電流 10V，最大狀態(tài) ，負(fù)載電流 100mA） ，共 9 塊，插在 2 站的 A17 框架的第 9 槽中。圖 34 冗余控制器示意圖 小結(jié)系統(tǒng)硬件是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)軟件程序之前，要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有個(gè)深入的了解，本章詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各模塊的選型，介紹了系統(tǒng)的概況，使讀者對(duì)總體的設(shè)計(jì)有個(gè)大致了解。通過本系統(tǒng)的獨(dú)立控制部分，管理者可輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)于任何流程的控制，只要形成清晰的控制思路，通過對(duì)每一個(gè)閥門的控制，即可實(shí)現(xiàn)任意的控制流程，如進(jìn)油流程、自循環(huán)流程、旁接流程、清管流程、倒罐流程、高壓泄放流程等。RSLogix5000 可同時(shí)完成順序控制與運(yùn)動(dòng)控制。ControlLogix 是一種框架式控制系統(tǒng)，它將順序控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和傳動(dòng)控制功能集成在一起，同時(shí)還提供通訊和 I/O 功能。例如：FF 基金會(huì)現(xiàn)場總線和 HART 總線；6．每個(gè) ControlLogix 控制器內(nèi)置的串口。詳細(xì)標(biāo)簽內(nèi)容見附錄。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文21圖 45 初始化子程序流程圖3．復(fù)位子程序流程如圖 46 所示。圖 49 調(diào)節(jié)閥子程序流程圖7．變頻器 PID 控制流程如圖 410 所示。程序主要控制的閥門有V10V10V10V20V30V30V403 、V40V405 、V407 、V40V50V50V51V51V60V60V61V612 、V62V622 、V623 、V624。圖 412 程序樣圖 小結(jié)獨(dú)立控制的程序部分設(shè)計(jì)目的在于增加各節(jié)點(diǎn)的靈活控制性，方便管理者在使用流程控制的過程當(dāng)中，單獨(dú)控制某一個(gè)閥，從而使軟件有了更友好的使用方法。伴隨更多人的關(guān)注，ControlNet 會(huì)有更大的發(fā)展。 PID 周期運(yùn)算眾所周知，在 PLC 控制過程當(dāng)中，CPU 對(duì)進(jìn)程中的 PID 運(yùn)算總是顯得很難處理，這是由于 PID 運(yùn)算會(huì)帶來很大的運(yùn)算量，使得在運(yùn)算過程中，可能會(huì)有很多的控制量處于不確定狀態(tài)。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文28第 6 章 結(jié)論現(xiàn)場總線作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)從底層現(xiàn)場設(shè)備到頂層生產(chǎn)管理之間正確的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，確保數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)，采用該總線的環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件也表現(xiàn)出了強(qiáng)大的優(yōu)勢：1．對(duì)現(xiàn)場總線控制技術(shù)，尤其是 ControlNet 總線技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了深入分析，著重闡述了它的通訊模式、仲裁方式及其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并與其它常見總線技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，從而肯定了 ControlNet 現(xiàn)場總線技術(shù)在具有多個(gè) PLC 控制器和較高數(shù)據(jù)傳輸率控制系統(tǒng)的應(yīng)用；2．在了解了本系統(tǒng)的控制要求基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了各硬件模塊的選用，同時(shí)，出于保護(hù)特殊數(shù)據(jù)的安全考慮，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均采用冗余設(shè)計(jì)；3．對(duì)環(huán)道控制系統(tǒng)下位軟件 PLC 控制進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，詳細(xì)列出了獨(dú)立控制的流程圖，本部分也是作者本人所做設(shè)計(jì)的核心部分；4．介紹了 RSLogix5000 軟件在建立自由組態(tài)的獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)的使用方法；5．最后對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文29致 謝本文研究工作是在我的導(dǎo)師孫東輝副教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，從開題伊始到論文結(jié)束，我所取得的每一個(gè)進(jìn)步、編寫的每一段程序都無不傾注著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。在此，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！衷心感謝在百忙之中評(píng)閱論文和參加答辯的各位專家、教授。ControlLogix 以太網(wǎng)連接模塊“1756ENET”使用了 EtherNet/IP、ControlNet 等協(xié)議，并采用了專業(yè)的服務(wù)代碼封裝于以太網(wǎng)協(xié)議包中。通過集成這些 EPICS 加速器控制系統(tǒng)和輸入輸出控制器(IOC)，系統(tǒng)可以直接進(jìn)行讀取和寫入 PLC 數(shù)據(jù)。 版本引入了數(shù)據(jù)包的 TCP/IP 封裝，而代替了基于以太網(wǎng)（IP/UDP/TCP）的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，最終形成“基于以太網(wǎng)的 ControlNet”，稱為 EtherNet/IP。雖然他們封裝方式北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文32不同，但都可以通過默認(rèn)的 TCP 協(xié)議進(jìn)行連接。與此同時(shí)，AB 公司針對(duì) ControlLogix 推出了新的 CIP 服務(wù)編碼，包括使用 CIP 路徑來命名梯形圖邏輯標(biāo)簽、單獨(dú)使用讀寫的服務(wù)代碼以及結(jié)合了傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式而使用的一些傳輸協(xié)議。這種類型的傳輸稱為明確無關(guān)聯(lián)傳輸，因?yàn)闃?biāo)簽名被明確地提出，各個(gè)協(xié)議包是單獨(dú)尋址。對(duì)于 CIP_Read_Data 請求，比起關(guān)聯(lián)信息，無關(guān)聯(lián)信息有效地壓縮了信息，并且在傳輸中提高了 3%的速率。5 EPICS 技術(shù)支持的實(shí)施根據(jù)請求的更新率，vxWorks 驅(qū)動(dòng)代碼針對(duì)各個(gè) PLC 在掃瞄列表中都安排了標(biāo)簽名?？梢蕴幚淼?PLC 數(shù)據(jù)類型包括 BOOL、SINT、INT、DINT 和 REAL。這樣就決定了傳送時(shí)間會(huì)大量減少，但可能會(huì)產(chǎn)生其他作用：每當(dāng)輸出改變的記錄超過一個(gè)元素時(shí)，輸入輸出控制器(IOC)總將重寫整個(gè)數(shù)組。對(duì)于輸出記錄， 每當(dāng)記錄被處理時(shí)，驅(qū)動(dòng)都將發(fā)送一個(gè) CIP_Write_Data 消息。這樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題，以 BOOL 數(shù)組為例，他們會(huì)被作為 DINT 值傳輸。以上情況在 PPC 和奔騰輸入輸出控制器(IOC)68K 上都作了測試。其它辦公室個(gè)人計(jì)算機(jī)和 Linux 文件服務(wù)器連接到同樣的集線器上。而當(dāng)使用普通設(shè)置時(shí)，輸入輸出控制器(IOC)配置了 352 個(gè)二進(jìn)制的輸入記錄，以10Hz 掃描一個(gè) BOOL 數(shù)組的元素。整個(gè) BOOL 數(shù)組傳輸時(shí)間平均是在 15ms 內(nèi)，所有 REAL 的數(shù)組傳輸了 25ms，以便于記錄能更容易地在選定的掃瞄速率上更新。EPICS 使用起來很方便。交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也使網(wǎng)絡(luò)的不確定性減到了最小。各明確信息的標(biāo)簽傳輸信息是雙向的請求。北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文36北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文37附錄 2INTERFACING THE CONTROLLOGIX PLC OVER ETHERNET/IP. Kasemir, . Dalesio, LANL, Los Alamos,